焊接接头金相分析实验指导书.doc

重庆交通大学实验指导书

《材料成形技术基础》实验四

《焊接接头金相分析实验》

实验指导书

编写：张继祥

重庆交通大学机电学院

2010年6月

实验目的
观察焊接接头的宏观形貌特征及焊接缺陷，了解焊接裂纹生成机理。
观察典型焊接接头的显微组织的分布及其特征，了解焊接接头的焊缝区、熔合线、热影响区等不同金相组织产生的原理。
观察焊缝、热影响区及母材的各种典型结晶形态。
测定在不同的焊接工艺下热影响区的宽度。
实验概述
手工电弧焊的焊接过程如图1所示。当电弧在焊条与焊件之间引燃后，电弧热使焊件（与电弧接触部分）及焊条末端熔化，熔化的焊件和焊条（以熔滴形式下落）形成共同的金属熔池。焊条外面的药皮受热熔化并发生分解反应，产生液态熔渣和大量气体。液态熔渣包围着熔滴，当其进入金属熔池后，因其比重小而浮在熔池表面。所产生的气体则包围在电弧和熔池周围。

图1手工电弧焊过程示意图
1、焊条芯2、焊条药皮3、液态熔渣4、固态渣壳
5、气体6、金属熔滴7、熔池8、焊缝9、工件
焊条因不断熔化下滴而应连续向下送进，以保持一定的电弧长度。同时，焊条还应沿焊接方向前进。当电弧离开熔池后，被熔渣覆盖的熔化金属就缓慢冷却凝固成焊缝金属，液态熔渣也凝固成固态熔壳。在电弧移达的下方，又形成新的熔池及其上的液态熔渣，以后又凝固成新的焊缝金属和渣壳。上述过程继续进行下去，只至整个焊缝被焊完为止。从而形成一条连续的焊缝金属。
在焊接过程中，由于焊接接头各部分经受了不同的热循环，因而所得组织各异。组织的不同，导致机械性能的变化。对焊接接头进行金相组织分析，是对接头机械性能鉴定的不可缺少的环节。
焊接接头的金相分析包括宏观和显微分析两个方面。
宏观分析的主要内容为：观察与分析焊缝成型、焊缝金属结晶方向和宏观缺陷等。
显微分析的主要内容为：借助于放大100倍以上的光学金相显微镜或电子显微镜进行观察，分析焊缝的结晶形态，焊接热影响区金属的组织变化，焊接接头的微观缺陷等。
焊接接头由焊缝金属和焊接热影响区金属组成。焊缝金属的结晶形态与焊接热影响区的组织变化不仅与焊接热循环有关，而且与所用的焊接材料和被焊材料有密切关系。
（一）焊缝凝固时的结晶形态
熔化焊是通过加热使被焊金属的联接处达到熔化状态，焊缝金属凝固后实现金属的焊接。联接处的母材和焊缝金属具有交互结晶的特征，图2为母材和焊缝金属交互结晶的示意图。由图可见，焊缝金属与联接处母材具有共同的晶粒，即熔池金属的结晶是从熔合区母材的半熔化晶粒上开始向焊缝中心成长的。这种结晶形式称为交互结晶或联生结晶。
当晶体最易长大方向与散热最快方向一致时，晶体便优先得到成长，有的晶体由于取向不利于成长，晶粒的成长会被竭止，这就是所谓选择长大，并形成焊缝中的柱状晶形态，如图3（a）所示。
图2焊缝金属
(a)(b)
(c)(d)
(e)(f)
图320号钢焊接接头金相组织（200×）
（a）焊缝的焊态组织；（b）熔合区的焊态组织；（c）过热区焊态组织；（d）正火区焊态组织；（e）部分相变区焊态组织；（f）焊态母材组织；

（二）不易淬火钢焊接热影响区金属的组织变化
不易淬火钢包括低碳钢，16Mn、15MnTi、15MnV等低合金钢。现以20号钢为例，根据其焊接热影响区金属的组织特征，可以分为5个区域，如图4所示。

图4低碳钢焊接接头组织变化图
熔合区2、过热区3、正火区4、部分相变区5、再结晶区
1、熔合区
紧邻焊缝的母材与焊缝交界处的金属称为熔合区或半熔合区。焊接时，该区金属处于局部熔化状态，加热温度在固液相温度区间（约1350～1450℃）。在一般熔化焊的情况下，此区仅有2～3个晶粒的宽度，甚至在显微镜下也难以辨认。但是，它对焊接接头的强度、塑性都有很大影响，如图3（b）所示。
2、过热区
该区的加热温度范围为1100～1350℃。由于受热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重的长大现象，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，故称为过热区。此区的塑性差，韧性低，硬度高。其组织为粗大的铁素体和珠光体。在有的情况下，如气焊或导热条件较差时，甚至可获得魏氏体组织。因此，焊接钢度较大的结构时，常在过热区产生裂纹，过热区的显微组织如图3(c)所示。
3、正火区（重结晶区）
该区加热温度在Ac3~1100℃之间。在加热过程中，铁素体和珠光体全部转变为奥氏体，即产生金属的重结晶现象。由于加热温度稍高于Ac3，奥氏体晶粒尚未长大，冷却后获得均匀而细小的铁素体和珠光体，相当于热处理时的正火组织，故又称为正火区或相变重结晶区。该区的组织比退火（或轧制）状态的母材组织细小，因此，该区是热影响区中组织和性能最好的区域，如图3(d)。
4、部分相变区（不完全重结晶区）
焊接时，加热温度在Ac1~Ac3之间（约750～900℃）的金属